基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线的制作方法

1.本发明属于天线领域，尤其涉及基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线。


背景技术：

2.近年来毫米波技术在军事、民用和工业等领域日益显示出极大的应用价值，已成为无线技术发展的一个重要方向。为克服毫米波频段的超高路径损耗以及多径衰落等问题，相控阵天线以及大规模mimo阵列天线成为毫米波无线通信的关键技术。相控阵可根据需要，改变阵列天线的波束方向或形成特定的波束形状，这对毫米波通信、雷达、成像和探测等系统都有重要价值。目前已有的毫米波宽角扫描相控阵的研究中，普遍存在大角度扫描时增益下降严重的问题以及宽角扫描带宽较窄的问题。
3.y.ji等在《reconfigurable phased
‑
array antenna using continuously tunable substrate integrated waveguide phase shifter,in ieee transactions on antennas and propagation,vol.67,no.11,pp.6894
‑
6908,nov.2019》提出了一种可重构相控阵天线，其中包含连续可调siw移相器。通过采用多谐振孔耦合方案，天线单元实现了宽带特性和理想的辐射性能。siw移相器设计为易于与天线集成的结构，且可提供较大的相位变化范围。最终，天线单元组成1
×
4的阵列后，可实现的阻抗带宽为16.1％，波束扫描角度最大可达
±
45
°
，sll低于
‑
12db，增益达11dbi。当扫描角度最大时，相比于天线增益最大辐射方向，增益扫描下降4db。该可重构相控阵天线中的移相器尽管具有较好的性能，但是阵列天线扫描角度过小，且大角度扫描时增益下降严重，无法满足更宽角度的扫描需求。
4.z.yi等《a wide
‑
angle beam scanning antenna in e
‑
plane for k
‑
band radar sensor,"in ieee access,vol.7,pp.171684
‑
171690,2019》提出了一种针对毫米波频段设计的4
×
4宽角扫描相控阵天线，该天线单元利用磁偶极子原理，在贴片的三个侧壁上使用金属化过孔以形成一个等效的空腔作为磁偶极子，可实现3db波束宽度高达140
°
的单元辐射性能。最终，4
×
4的磁偶极子阵列天线实现了增益下降3db时扫描角达到
±
60
°
的扫描特性。尽管阵列的扫描角度较宽，但是其工作带宽较窄，相对带宽仅为5.5％，不超过10％，无法满足毫米波频段的宽带应用。
5.综上，在现有方案中，传统的相控阵天线随着扫描角度接近端射方向时，阵列会出现扫描增益急剧下降、旁瓣电平忽然升高等问题，这些都会导致阵列的扫描性能下降，无法满足宽角扫描应用。


技术实现要素：

6.本发明旨在解决现有毫米波相控阵天线的波束扫描范围受限，且大多相控阵天线无法在宽带的情况下实现较宽角度的扫描的问题，提供基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线，实现毫米波相控阵的宽角扫描。
7.为了实现本发明目的，本发明提供的基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线，包括辐射结构和位于辐射结构下方的馈电结构，
8.辐射结构包括4个超表面天线子阵列和多个“π”字型结构。每个所述超表面天线子阵列包括1
×
4的超表面天线阵元，每个超表面天线阵元包括多个非周期的贴片单元，用来控制口径场分布，拓宽了阵元的波束宽度，从而有助于提升阵列的扫描性能。“π”字型结构设置在相邻的超表面天线子阵列之间，实现了阵列面非均匀的口径场，进一步拓宽了沿扫描面方向的阵元波束宽度，从而实现更宽的扫描范围。
9.馈电结构用于给每个超表面天线阵元馈电，包括基片集成波导和耦合缝隙。
10.进一步地，每个“π”字型结构的高度低于超表面天线阵元。
11.进一步地，通过改变“π”字型结构的位置和尺寸来实现阵列扫描面的非均匀口径场。
12.进一步地，超表面天线子阵列有4个，“π”字型结构有6个。
13.进一步地，每个超表面天线子阵列中包括4个超表面天线阵元。
14.进一步地，每个超表面天线阵元包括呈3
×
5阵列排布的非周期贴片单元，即各列贴片单元的尺寸不同。
15.进一步地，每个超表面天线子阵列的馈电结构从下到上均包括第一金属层、第一ltcc基板、第二金属层、第二ltcc基板、第三金属层、第三ltcc基板和第四金属层，第一金属层上设置有基片集成波导转接地共面波导馈线，第一ltcc基板上设置有第一基片集成波导，第二金属层上开设有第一耦合缝隙，第二ltcc基板上设置有第二基片集成波导，第三金属层上开设有第二耦合缝隙，第三ltcc基板上设置有第三基片集成波导，第四金属层上开设有与超表面天线子阵列中超表面天线阵元数量相等的第三耦合缝隙。
16.进一步地，第一基片集成波导、第二基片集成波导和第三基片集成波导上均设置有调谐销钉。
17.进一步地，第一耦合缝隙、第二耦合缝隙和第三耦合缝隙均为“h”型缝隙。与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
18.1、本发明提出了一种非周期的超表面天线阵元，可用于控制天线扫描面(e面)和非扫描面(h面)的口径场分布。利用非均匀的口径场实现了天线单元的宽波束，再通过一分二、二分四的siw功分器进行馈电，实现了高增益。
19.2、扫描角度宽。本发明提出了一种“π”字型结构，实现了阵列面非均匀的口径场，进一步拓宽了沿扫描面方向的阵元波束宽度，显著提升阵列的扫描性能。本发明提供的天线在整个工作带宽内的扫描性能可实现增益下降3db，扫描角为
±
55
°
(最大可达
±
60
°
)，具有宽角扫描的优势。
20.3、宽带小型化。本发明通过采用超表面结构以及一分二、二分四的siw功分器的馈电方式，在介电常数为5.9的ltcc基板以及小尺寸结构下，实现了20％的带宽，具有宽带小型化的优势。
21.4、该天线法向的增益都大于15dbi以上，10db阻抗带宽可以覆盖24.25
‑
29.5ghz(20％)频段，对应毫米波5g频段。在整个频段内实现了增益下降3db的
±
55
°
的宽角扫描，最大扫描角为
±
60
°
。
附图说明
22.图1是本发明实施例提供的基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线的结构示意
图。
23.图2是本发明实施例提供的基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线中1
×
4超表面天线子阵列结构的俯视图。
24.图3是本发明实施例提供的基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线中1
×
4超表面天线子阵列结构的底视图。
25.图4是本发明实施例提供的基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线中1
×
4超表面天线子阵列结构的分解图。
26.图5是本发明实施例超表面天线阵元的反射系数与频率的关系示意图。
27.图6是本发明实施例超表面天线阵元的实际增益与频率的关系示意图。
28.图7是本发明实施例超表面天线阵元在29.5ghz频率时的e/h面方向图。
29.图8是本发明实施例超表面天线阵元的天线效率与频率的关系示意图。
30.图9是本发明实施例提供的基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线的俯视图。
31.图10是本发明实施例提供的基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线的侧视图。
32.图11是本发明实施例提供的基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线中反射系数和频率的关系示意图。
33.图12是本发明实施例提供的基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线中实际增益与频率的关系示意图。
34.图13是本发明实施例提供的基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线中天线效率与频率的关系示意图。
35.图14是本发明实施例提供的基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线中工作在29.5ghz频率时阵列的扫描性能示意图。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
37.为了实现全空间覆盖，需要采用相控阵扫描天线，而现有毫米波相控阵天线的波束扫描范围有限，且大多相控阵天线无法在宽带的情况下实现较宽角度的扫描，为了解决这种问题，本发明提出一种基于超表面单元的宽角扫描相控阵天线，该天线通过展宽阵元以及阵列的波束宽度实现了宽角扫描特性。而为了满足毫米波宽带应用，天线的辐射结构采用超表面结构，因为与普通的贴片天线相比，超表面天线具有较宽的带宽以及更高的设计自由度。此外，封装天线方案是未来毫米波天线最主要的实现形式，因为其可以有效提高毫米波系统集成度、降低系统互连损耗以及保证毫米波天线性能。因此，本发明主要采用封装天线工艺进行实现。
38.本发明提供的基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线，包括辐射结构和位于辐射结构下方的馈电结构，辐射结构包括4个超表面天线子阵列和多个“π”字型结构19。每个所述超表面天线子阵列包括1
×
4的超表面天线阵元2，每个超表面天线阵元2包括多个非周期的贴片单元，用来控制口径场分布，拓宽了阵元的波束宽度，从而有助于提升阵列的扫描
性能。“π”字型结构19设置在相邻的超表面天线子阵列之间。馈电结构用于给每个超表面天线阵元馈电，包括基片集成波导和耦合缝隙。
39.在本发明其中一个实施例中，提供的是一种基于超表面的新型毫米波4
×
4宽角扫描相控阵天线，超表面天线子阵列有4个，“π”字型结构有6个，每个超表面天线子阵列中4个超表面天线阵元，每个超表面天线阵元包括呈3
×
5阵列排布的非周期贴片单元。为了便于说明，以下实施例中的数量与本实施例相同，但可以理解的是，在其他实施例中，可以根据需要设置为其他数量。
40.如图1所示，本发明其中一个实施例中的天线的辐射结构包括4个超表面天线子阵列，每个超表面天线子阵列包括4个超表面天线阵元，而每个超表面天线阵元由3
×
5的贴片单元组成。其中，贴片单元的尺寸是非周期的，即两边贴片的尺寸和中间列贴片的尺寸不同，可用于控制天线扫描面(e面)和非扫描面(h面)的口径场分布。口径场分布越均匀，天线的增益越高、波束宽度越窄，而非均匀的口径场则可用于实现天线的宽波束。因此，为了实现扫描面的宽波束性能，3
×
5的贴片单元在扫描面的尺寸设置为非周期的。
41.在本发明其中一个实施例中，天线整体结构如图1所示，包括4个超表面天线子阵列以及6个用于展宽阵列波束宽度的“π”字型结构。本实施例提出的基于超表面的新型毫米波宽角扫描相控阵天线，可以实现子阵列的高增益及20％的相对带宽。通过一分二、二分四的siw功分器进行馈电，保证了给每个阵元实现等幅同相的馈电，从而实现子阵列的高增益。天线阵元采用非周期的超表面来控制口径场分布，拓宽了天线波束宽度，从而有利于提升阵列的扫描范围。1
×
4子阵列的10db阻抗带宽可以覆盖24.25
‑
29.5ghz(20％)频段，对应毫米波频段。在该子阵的基础上，设计了具有一维扫描能力的4
×
4宽角扫描相控阵天线。此外，在子阵之间引入了“π”字型结构，通过调整该结构的位置和尺寸，从而实现阵列扫描面的非均匀口径场，进一步提高了沿扫描方向的单元波束宽度，实现了更宽的扫描范围。
42.一、超表面天线1
×
4子阵列的结构
43.超表面结构与传统贴片天线相比，具有更宽的工作带宽以及更大的设计自由度，可用于多种高性能天线的设计中。每个超表面天线子阵列的结构如图2至图4所示，其整体结构可分为两个部分，分别为辐射结构和馈电结构，辐射结构位于馈电结构上方。整体包括23层ltcc层，每层ltcc层的厚度为0.094mm。其中顶部的8层用于实现天线的辐射结构，剩余15层用于实施天线的馈电结构。具体为第四ltcc基板1为8层，第一ltcc基板13、第二ltcc基板10、第三ltcc基板5各5层。
44.如图4所示，辐射结构包括4个超表面天线阵元2，位于第四ltcc基板1上，而每个超表面天线阵元2由3
×
5的非周期贴片单元组成。馈电结构包括基片集成波导(siw)以及“h”型耦合缝隙。从下往上，基片集成波导和“h”形耦合缝隙分别组成一分二、二分四的功分器，可分别给位于顶部的四个超表面天线阵元2进行馈电。这种馈电方式即为并馈，可实现等幅同相的馈电效果。具体而言，馈电结构总共分为三层siw结构，从下到上依次包括：第一金属层15、第一ltcc基板13、第二金属层12、第二ltcc基板10、第三金属层8、第三ltcc基板5和第四金属层3。其中，第一金属层15上设置有基片集成波导(siw)转接地共面波导(gcpw)馈线16，第一ltcc基板13上设置有第一基片集成波导(siw)14，第二金属层12上开设有一个第一耦合缝隙18，第二ltcc基板10上设置有第二基片集成波导(siw)11，第三金属层8上开设有两个第二耦合缝隙17，第三ltcc基板5上设置有第三基片集成波导(siw)6，第四金属层3上
开设有四个第三耦合缝隙4。其中，第一耦合缝隙18、第二耦合缝隙17和第三耦合缝隙4均为“h”型缝隙，目的是为了减小siw在阵列扫描面的尺寸，以保证宽角扫描。第一基片集成波导14、第二基片集成波导11、第三基片集成波导6都加载了调谐销钉7，用于调节天线的匹配。
45.首先，信号由接地共面波导(gcpw)馈线16输入，再由gcpw转成siw进行馈电；其次，位于最底层的第一基片集成波导14通过第二金属层12中间的第一耦合缝隙18向上耦合能量到第二基片集成波导11，以此构成一分二的功分器；再次，由第三金属层8的两个第二耦合缝隙17将能量耦合到第三基片集成波导6，构成二分四的功分器；最后，由第四金属层3上的四个第三耦合缝隙4为顶部的4个超表面天线阵元进行馈电。其中，为了实现更好的阻抗匹配，在每一层的siw中都加载有调谐销钉7。此外，为方便测试，信号具体由smpm接头馈入，因此需要通过调节地的高度对gcpw馈线进行阻抗变换。如图3所示，坐式的smpm接头固定在最底层的金属上。
46.图5至图8给出了超表面天线子阵列的仿真性能。从图5中可以看到，该天线可以覆盖24.25
‑
29.5ghz的毫米波频段，相对带宽大约为20％。图6为天线在整个频段内的实际增益图。在整个工作频段内，天线法向的增益都大于10.5dbi。随着频率的上升，可以看到增益也不断上升，最高增益可达12.2dbi。因越往高频，则波束宽度越窄。图7给出了天线在最高频点29.5ghz处的e/h面方向图，从图中可以看到，天线辐射方向图在e面和h面上都保持对称。e面的3
‑
db波束宽度大约为
±
46
°
。图8给出了天线在整个工作频段内的天线效率，可以看到在整个频段内的天线效率都大于74％。
47.二、基于超表面的4
×
4毫米波宽角扫描阵列天线
48.基于上述的超表面天线子阵列进行组阵，设计的4
×
4相控阵天线如图9至图10所示，阵列间距设置为0.43λ0(@30ghz)。为改善阵列的扫描性能，本发明在阵元之间加载了一种“π”字型结构19，其工作原理在于形成阵列扫描面的非均匀口径场，进一步提高了沿扫描方向的单元波束宽度。
49.为展宽相控阵天线的阵列波束宽度，以此来实现相控阵天线的宽角扫描性能。通过调节“π”字型结构19的位置及尺寸，可以使得阵列扫描性能得到提升。从图10的侧视图可以看出，“π”字型结构19的高度低于超表面天线阵元，这样可以减小超表面天线子阵列之间的耦合，使得扫描面的电场分布变得更加不均匀，以此来展宽扫描面的阵元波束宽度，提升扫描能力。阵列天线的模型整体尺寸为17.3
×
32.16
×
2.162mm3(1.73
×
3.216
×
0.216λ3，波长对应30ghz)。
50.图11至图14给出了相控阵天线的仿真性能。从图11可以看到，相控阵天线能覆盖24.25
‑
29.5ghz的频段范围，满足毫米波5g频段的宽带应用。图12是相控阵天线在整个频段内的实际增益图，在整个工作频段内，天线法向的增益都大于15dbi以上，随着频率的上升，可以看到增益也不断上升，最高增益可达16.8dbi。图13给出了天线在整个工作频段内的天线效率，可以看到在整个频段内的天线效率都大于75％。图14为工作在29.5ghz频率时阵列的扫描性能，天线法向增益下降3db，扫描角为
±
60
°
，仿真验证了该“π”字型结构的有效性。整个频带范围内的扫描性能，可以满足天线法向增益下降3db，扫描角大于
±
55
°
，最大可达
±
60
°
。本实施例提供的天线可以广泛应用于雷达、通信等领域且具备宽角扫描能力。
51.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。